Chip para múltiples órganos con una vida útil y homeostasis mejoradas.

Dispositivo de chip para múltiples órganos, que comprende

- una capa base;

- una capa de órganos dispuestos en la capa base;

- una capa antra dispuesta sobre la capa de órganos; y

- una capa de accionador;

en donde

- la capa base está configurada para proporcionar un soporte sólido para las capas adicionales;

- la capa de órganos está configurada para comprender

una multiplicidad de equivalentes de órganos individuales, comprendiendo cada uno de los órganos equivalentes una o más secciones de crecimiento de órganos, estando configurada cada una de las secciones de crecimiento de órganos para comprender una cavidad de organoide para alojar al menos un organoide de un órgano y para comprender una micro-entrada y una micro-salida para la comunicación de fluido entre la cavidad de organoide de la sección de crecimiento de órganos y un sistema de circulación autónomo, en donde la capa de órganos comprende al menos un equivalente de órgano configurado para representar los órganos pulmón, intestino delgado, bazo, páncreas, hígado, riñón y médula ósea, respectivamente, y

un sistema de circulación autónomo, configurado para estar en comunicación directa de fluido con las secciones de crecimiento de órganos de la capa de órganos a través de las micro-entradas y micro salidas de las secciones de crecimiento de órganos;

- la capa antra está configurada para comprender una multiplicidad de cavidades y tubos dispuestos para estar en comunicación de fluido con equivalentes de órganos seleccionados o en secciones de crecimiento de órganos con el fin de permitir el intercambio de fluidos entre cavidades y secciones de crecimiento de órganos; y

- la capa de acciondor está configurada para comprender una multiplicidad de accionadores dispuestos y configurados para regular una fuerza de presión aplicada en un equivalente de órgano seleccionado, el sistema de circulación autónomo y/o parte del mismo.

Chip para múltiples órganos con una vida útil y homeostasis mejoradas ANTECEDENTES DE LA TÉCNICA:

Sistemas de cultivo de órganos u organoides tridimensionales (3D) miniaturizados son de creciente interés académico y económico. Estos sistemas de cultivo 3D están dirigidos para permitir la investigación de cómo funcionan y se comportan los órganos bajo determinados estímulos, así como para ensayar el efecto de compuestos químicos o composiciones sobre órganos particulares o grupos de los mismos y para estudiar el comportamiento farmacocinético de este tipo de compuestos o composiciones. En particular con respecto al ensayo de seguridad de los compuestos químicos, se requieren alternativas para sustituir experimentos con animales y para generar datos que puedan ser más fácilmente utilizados para predecir de manera eficiente y fiable seguridad en los seres humanos. La calidad de un sistema de cultivo 3D in vitro de este tipo dependerá de su capacidad de reflejar lo más fielmente posible la función fisiológica y el entorno del órgano u organoide respectivo. Este objetivo sólo puede lograrse si los órganos no se consideran como objetos autónomos separados, pero si la complejidad de la interacción entre los diferentes órganos en un organismo es imitada lo más estrechamente posible. Con el fin de permitir la generación de datos significativos, se requiere que el sistema de cultivo se mantenga estable durante un período prolongado de tiempo. Sin embargo, la mayoría de los sistemas de cultivo 3D conocidos hoy en día reflejan sólo un tipo de célula o modelan un solo tipo de órgano u organoide. Sistemas de cultivo 3D que tienen en cuenta múltiples órganos y que permiten un cultivo dinámico de estos múltiples órganos se han descrito sólo recientemente.

En el documento WO2009/146911 A2 se ha presentado un dispositivo de órgano-sobre-un-chip. Este dispositivo de órgano-sobre-un-chip está diseñado para ser autónomo y ser controlado por sensor. El dispositivo permite establecer o mantener los órganos u organoides así como nichos de células madre en un formato de chip miniaturizado. El dispositivo de órgano-sobre-un-chip puede comprender una multiplicidad de secciones de crecimiento de órganos que comprenden un órgano u organoide, un depósito de nutrición del medio y un depósito de residuos medio, funcionalmente conectados entre sí de tal manera que los órganos u organoides de la sección de crecimiento de los órganos pueden ser alimentados con medio desde el depósito de nutrición del medio y que los productos de degradación y el residuo se puede eliminar a través del depósito de residuos medio. Aunque este modelo permite el cultivo simultáneo de más de un órgano en un chip, este dispositivo no permite la interacción y el diálogo transversal entre los diferentes órganos en el chip. Además, este dispositivo no refleja todas las funciones necesarias para lograr la homeostasis del sistema de cultivo a lo largo de un período prolongado de tiempo.

En el documento WO 2012/016711 A1 se presenta un modelo de cultivo celular 3D que comprende una o más secciones de crecimiento de órganos, un sistema autónomo de circulación configurado para suministrar órganos u organoides cultivados en las secciones de crecimiento de los órganos con nutrientes y un colector de fluido extracapilar o de residuos para recoger fluido intersticial y productos de degradación de las secciones de crecimiento de órganos. Este sistema permite el cultivo simultáneo de más de un órgano e imita un sistema vascular que suministra e interconecta los diferentes órganos. Por lo tanto, este sistema permite la interacción y la diafonía entre los órganos u organoides del sistema. Otro dispositivo de cultivo celular con una composición equiparable se describe en el documento US 2012/0214189 A1. Sin embargo, este dispositivo no refleja todas las funciones necesarias para lograr la homeostasis del sistema de cultivo durante un período prolongado de tiempo.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN:

La presente invención se refiere a un dispositivo de chip para múltiples órganos que imita las funciones básicas de un organismo necesario para la homeostasis de órganos y/u organismos. El dispositivo de chip para múltiples órganos de la presente invención está diseñado para reflejar un sistema autónomo de circulación que imita el sistema de la sangre de un organismo superior que suministra un cierto número de diferentes equivalentes de órganos. Los equivalentes de órganos se seleccionan y disponen de tal manera que las funciones básicas de suministro de alimentos, la eliminación de desechos y el suministro de oxígeno están representados y son completamente funcionales para mantener la homeostasis de los equivalentes de órganos a lo largo de un período prolongado de tiempo.

Se proporciona un dispositivo de chip para múltiples órganos, comprendiendo el dispositivo -una capa base;

- una capa de órganos dispuestos en la capa base;

- una capa antra dispuesta sobre la capa de órganos; y -una capa de accionador;

en donde -la capa base está configurada para proporcionar un soporte sólido para las capas adicionales;

- la capa de órganos está configurada para comprender una multiplicidad de equivalentes de órganos individuales, comprendiendo cada uno de los órganos equivalentes una o más secciones de crecimiento de órganos, estando configurada cada una de las secciones de crecimiento de órganos para comprender una cavidad de organoide para alojar al menos un organoide de un órgano y para comprender una micro-entrada y una micro-salida para la comunicación de fluido entre la cavidad de organoide de la sección de crecimiento de órganos y un sistema autónomo de circulación, en donde la capa de órganos comprende al menos un equivalente de órgano configurado para representar los órganos pulmón, intestino delgado, bazo, páncreas, hígado, riñón y médula ósea, respectivamente, y un sistema de circulación autónomo, configurado para estar en comunicación directa de fluido con las secciones de crecimiento de órganos de la capa de órganos a través de las micro-entradas y micro-salidas de las secciones de crecimiento de órganos.

- la capa antra está configurada para comprender una multiplicidad de cavidades y tubos dispuestos para estar en comunicación de fluido con equivalentes de órganos seleccionados o en secciones de crecimiento de órganos con el fin de permitir el intercambio de fluidos entre cavidades y secciones de crecimiento de órganos; y -la capa de accionador está configurada para comprender una multiplicidad de accionadores dispuestos y configurados para regular una fuerza de presión aplicada en un equivalente de órgano seleccionado, el sistema de circulación autónomo y/o parte del mismo.

Detalles y formas de realización adicionales preferidos de la invención se definen en la memoria descriptiva que figura a continuación y en las reivindicaciones.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN:

En lo que sigue se describe con mayor detalle la presente invención. A menos que se especifique lo contrario, todos los términos y expresiones técnicos y científicos utilizados en esta memoria tienen el mismo significado que el que se entiende comúnmente por una persona experta en la técnica pertinente. Si se especifica una primera capa u objeto que se encuentra en la parte superior de una segunda capa u objeto, la primera capa u objeto puede estar situado directamente en la parte superior de la segunda capa, o puede estar presente otra capa u objeto entre la primera y la segunda capa u objeto.

El dispositivo de chip para múltiples órganos de la invención se compone de un cierto número de capas con diferentes funcionalidades. El chip para múltiples órganos comprende una capa base, una capa de órganos, opcionalmente una capa de soporte de órganos, una capa antra y una capa de accionador.

La capa base está configurada para proporcionar un soporte sólido para las capas adicionales de tal manera que el dispositivo de chip para múltiples órganos puede ser manejado y manipulado fácilmente. Preferiblemente, dicha capa base está hecha de un material transparente. Esto tiene la ventaja de que la capa de órganos es ópticamente accesible desde el lado inferior y, por lo tanto, permite la observación de organoides en la sección de crecimiento de los órganos durante el cultivo por microscopía, por ejemplo, por microscopía de 2 fotones. Puesto que la capa base está hecha de material transparente, la capa de órganos es accesible desde el lado inferior y permite la representación en imágenes de la relación de fluorescencia para la medición de pH intersticial local, microscopía de extinción de fosforescencia de pO2 intersticial... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo de chip para múltiples órganos, que comprende -una capa base; -una capa de órganos dispuestos en la capa base;

-una capa antra dispuesta sobre la capa de órganos; y -una capa de accionador;

en donde -la capa base está configurada para proporcionar un soporte sólido para las capas adicionales; -la capa de órganos está configurada para comprender una multiplicidad de equivalentes de órganos individuales, comprendiendo cada uno de los órganos equivalentes una o más secciones de crecimiento de órganos, estando configurada cada una de las secciones de crecimiento de órganos para comprender una cavidad de organoide para alojar al menos un organoide de un órgano y para comprender una micro-entrada y una micro-salida para la comunicación de fluido entre la cavidad de organoide de la sección de crecimiento de órganos y un sistema de circulación autónomo, en donde la capa de órganos comprende al menos un equivalente de órgano configurado para representar los órganos pulmón, intestino delgado, bazo, páncreas, hígado, riñón y médula ósea, respectivamente, y un sistema de circulación autónomo, configurado para estar en comunicación directa de fluido con las secciones de crecimiento de órganos de la capa de órganos a través de las micro-entradas y micro20 salidas de las secciones de crecimiento de órganos;

- la capa antra está configurada para comprender una multiplicidad de cavidades y tubos dispuestos para estar en comunicación de fluido con equivalentes de órganos seleccionados o en secciones de crecimiento de órganos con el fin de permitir el intercambio de fluidos entre cavidades y secciones de crecimiento de órganos; y -la capa de acciondor está configurada para comprender una multiplicidad de accionadores dispuestos y configurados para regular una fuerza de presión aplicada en un equivalente de órgano seleccionado, el sistema de circulación autónomo y/o parte del mismo.

2. Dispositivo de chip para múltiples órganos de la reivindicación 1, en donde la capa base está hecha de un material transparente, preferiblemente la capa base está hecha de un material que comprende o consiste en vidrio o un 30 polímero sintético transparente.

3. Dispositivo de chip para múltiples órganos de la reivindicación 1 ó 2, en donde la capa base comprende uno o más sensores configurados para medir señales emitidas desde y/o para transmitir señales a uno o más de los equivalentes de órganos, secciones de crecimiento de órganos y/o al sistema de circulación autónomo.

4. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde el sistema de 35 circulación autónomo comprende un canal de transporte arteriolar, que conecta directamente las micro-salidas de las secciones de crecimiento de órganos del equivalente de pulmón con las micro-entradas de todas las secciones de crecimiento de órganos de la capa de órganos con el fin de permitir el transporte de fluido con una pO2 alta a secciones de crecimiento de órganos; y un canal de transporte venular, que conecta directamente las micro-salidas de las secciones de crecimiento de órganos con las micro-entradas de las secciones de crecimiento de órganos del equivalente de pulmón con el fin de permitir el transporte de fluido con una pO2 baja desde las secciones de crecimiento de órganos al equivalente de pulmón.

5. Dispositivo de chip para múltiples órganos de la reivindicación 4, en donde el sistema de circulación autónomo 45 está configurado de manera que las micro-salidas de las secciones de crecimiento de órganos de equivalentes de intestino delgado, bazo y páncreas están conectadas para estar en comunicación directa de fluido una con otra y con micro-entradas adicionales de las secciones de crecimiento de órganos del equivalente de hígado con el fin de que permitan la comunicación de fluido entre equivalentes de bazo, páncreas, intestino delgado e hígado, de manera que la comunicación de fluido desde el bazo, páncreas e intestino delgado hacia el canal de transporte venular del 50 sistema de circulación autónomo puede producirse solamente mediante el paso a través del equivalente de hígado.

6. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de órganos comprende, además, equivalentes de órganos, preferiblemente la capa de órganos comprende equivalentes de órganos de la piel, testículos, cerebro y/o tejido adiposo.

7. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, que comprende, además, una capa de soporte de órganos dispuesta entre la capa de órganos y la capa antra, en donde la capa de soporte de órganos está configurada para sellar y/o estabilizar la capa de órganos de manera que para equivalentes de órganos seleccionados se mantiene la comunicación con la capa antra.

8. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa antra puede estar configurada para comprender:

una cavidad que se encuentra en la parte superior del equivalente de intestino delgado y está en comunicación de fluido con el equivalente de intestino delgado y un depósito de nutrición de tal manera que el equivalente de intestino delgado puede ser suministrado con los nutrientes desde el depósito de nutrición;

una cavidad que está situada en la parte superior del intestino delgado y está en comunicación de fluido con el equivalente de intestino delgado y un depósito de heces de manera que el material excretado desde el equivalente de intestino delgado puede ser transportado al depósito de heces;

una cavidad que está situada en la parte superior del equivalente de hígado y está en comunicación de fluido con el equivalente de hígado y la cavidad que está situada en la parte superior del equivalente de intestino delgado de manera que el material excretado desde el equivalente de hígado puede ser transportado a la cavidad que está situada en la parte superior del intestino delgado; y una cavidad que está situada en la parte superior del equivalente de riñón y está en comunicación de fluido con el equivalente de riñón y un depósito de orina de tal manera que el depósito de orina recibe el material excretado desde el equivalente de riñón.

9. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de accionador comprende:

uno o más accionadores que actúan sobre el sistema de circulación autónomo para permitir el movimiento de fluido dirigido con el fin de imitar el latido del corazón;

uno o más accionadores que actúan sobre la capa antra para permitir el movimiento dirigido con el fin de imitar el movimiento peristáltico intestinal;

uno o más accionadores que actúan sobre el equivalente de pulmón para permitir el flujo de aire con el fin de imitar la respiración;

uno o más accionadores que actúan sobre el equivalente de la médula ósea para permitir la compresión regulada con el fin de imitar la compresión del hueso;

uno o más accionadores que actúan sobre el canal de transporte arteriolar del sistema de circulación autónomo con el fin de imitar la constricción arteriolar;

uno o más accionadores que actúan sobre el equivalente de hígado para permitir el movimiento de fluido dirigido con el fin de disipar la bilis desde el equivalente de hígado; y uno o más accionadores que actúan sobre la capa antra para permitir el movimiento de fluido dirigido con el fin de disipar la orina desde el equivalente de riñón.

10. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de órganos está diseñada de manera que:

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de hígado está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 5 a 15 organoides de hígado, en donde cada uno de los organoides de hígado es un lóbulo de hígado, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 10 organoides de hígado;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de pulmón está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 2000 a 4000 organoides de pulmón, en donde cada uno de los organoides de pulmón es un alveolo de pulmón, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 3000 organoides de pulmón;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de páncreas está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 5 a 15 organoides de páncreas, en donde cada uno de los organoides de páncreas es un islote de Langerhans, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 10 organoides de páncreas;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de bazo está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 5 a 15 organoides de bazo, en donde cada uno de los organoides de bazo es una pulpa blanca y roja, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 10 organoides de bazo;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de intestino delgado está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 40 a 80 organoides de intestino delgado, en donde cada uno de los organoides de intestino delgado es una vellosidad, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 60 organoides de intestino delgado;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de riñón está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 10 a 30 organoides de riñón, en donde cada uno de los organoides de riñón es una nefrona, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 20 organoides de riñón;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de médula ósea está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 1000 a 2000 organoides de médula ósea, en donde cada uno de los organoides de médula ósea es una unidad formada de médula ósea, hueso y cartílago, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 1400 organoides de médula ósea.

11. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa de órganos está diseñada de manera que:

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de la piel configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 10 a 15 organoides de la piel, en donde cada uno de los organoides de la piel es un apéndice de la piel, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 15 organoides de la piel;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente del tejido adiposo está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 200.000 a 300.000 organoides de tejido adiposo, en donde cada uno de los organoides de tejido adiposo es un racimo adiposo, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 240.000 organoides de tejido adiposo;

- una sección de crecimiento de órganos del equivalente de los testículos está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 10 a 20 organoides de los testículos, en donde cada uno de los organoides de los testículos es un folículo de los testículos, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 15 organoides de los testículos; y -una sección de crecimiento de órganos del equivalente del cerebro está configurada para proporcionar una cavidad de organoide para alojar 150 a 250 organoides del cerebro, en donde cada uno de los organoides del cerebro es una columna de la corteza del cerebro, preferiblemente la cavidad de organoide está configurada para alojar 200 organoides del cerebro.

12. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde los equivalentes de órganos y el sistema de circulación autónomo están configurados de manera que el canal de transporte arteriolar procedente de los equivalentes de pulmón exhibe en la dirección de flujo:

- una primera bifurcación en la que se ramifica un primer canal arteriolar suministrando el equivalente de intestino delgado, bazo y páncreas;

- una segunda bifurcación en la que se ramifica un segundo canal arteriolar suministrando el equivalente del hígado;

- una tercera bifurcación en la que se ramifica un tercer canal arteriolar suministrando el equivalente del riñón;

- una cuarta bifurcación en la que se ramifica un cuarto canal arteriolar suministrando el equivalente de médula ósea;

- una quinta bifurcación opcional en la que se ramifica un quinto canal arteriolar suministrando un equivalente de la piel;

- una sexta bifurcación opcional en la que se ramifica un sexto canal arteriolar suministrando un equivalente de tejido adiposo;

- una séptima bifurcación opcional en la que se ramifica un séptimo canal arteriolar suministrando un 10 equivalente de los testículos; y -una octava bifurcación opcional en la que se ramifica un octavo canal arteriolar suministrando un equivalente de cerebro.

13. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones 4 a 13, en donde el diámetro del canal de transporte arteriolar en la dirección de flujo se reduce constantemente de tal manera que la suma de áreas en sección transversal de todos los canales de transporte arteriolares, incluyendo todas las bifurcaciones a una distancia dada desde el equivalente de pulmón permanece constante, y en donde en el canal de transporte venular dicha reducción en diámetro se revierte constantemente en la dirección de flujo de modo que la suma de áreas en sección transversal de todos los canales de transporte venulares, incluyendo todas las bifurcaciones a una distancia dada desde el equivalente de pulmón permanece constante.

14. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde la capa base comprende o consiste en vidrio, la capa de órganos comprende o consiste en polidimetilsiloxano (PDMS) , la capa de soporte de órganos comprende o consiste en policarbonato, la capa antra comprende o consiste en PDMS y/o la capa de accionador comprende o consiste en policarbonato.

15. Dispositivo de chip para múltiples órganos de una de las reivindicaciones precedentes, en donde cada uno de los equivalentes de órganos está configurado para alojar un cierto número de organoides que es proporcional al número de organoides presentes en promedio en el órgano respectivo de un organismo mamífero, preferiblemente de un ser humano, en donde todos los equivalentes de órganos del dispositivo de chip para múltiples órganos se reducen en tamaño por el mismo factor de proporcionalidad predeterminado, p. ej. en un factor de 0, 00001 (1/100.000) .